菱体型消色差延迟器的优化设计

引　言

在激光和光电子技术中,波片具有重要的用途,一般都是利用双折射产生相位延迟,近年来,双折射类型的波片有了很大发展:利用电光效应制成相位延迟随外加电压变化的波片,如可编程液晶波片[1];还有利用双折射薄膜制成用于光通信的反射型波片[2]等等。波片通常按单波长设计而成,只适用于某单一波长;另外,对于很薄的波片,相位延迟会随波长而振荡。对于较大光谱范围内的准确测量,按单一波长设计显然是不合适的,必须考虑到整个使用光谱范围的性能。消色差延迟器是一种对使用波长不敏感的光相位调制器件,它能用各种方法制成,例如可以利用双折射随波长线性变化的材料或用双折射材料进行组合[3~5]。根据菲涅耳原理,可以利用比临界角更大的角度引起全内反射,从而得到较大的相位延迟,依照这种原理制成的菱体型消色差延迟器[6],跟OXLEY提出KIZE等人发展的AD22型消色差延迟器几乎一样。此器件相对斜入射消色差相位延迟器[7]的优点是它对光路的影响小,不会引起入射光束的偏折,插入损失相对较小。

MA等人[6]设计的延迟器件选择材料的范围太小,仅仅局限于在一定波长范围内折射率几乎不发生变化的材料;对全内反射角的选取上解释有些牵强,并且如果选择的材料发生变化,更不好对全内反射角进行取舍。本文中通过理论分析,比较清楚地显示了扩大材料选择范围的可行性,并且得出了较大的全内反射角的选择可以改善延迟器件的消色差性,为延迟器件的优化设计提供了理论依据。

1　相位延迟与材料折射率及全内反射角的关系

菱体型消色差延迟器结构如图1所示。从图1可以看出,光束具有对称性,且通过延迟器件后光束不会发生偏折。当一束光以入射角θ从材料2大气界面的材料一侧入射时,按照菲涅耳原理,在全内反射的情况下,在材料一侧被反射的s振动光(垂直于入射面)和p振动光(平行于入射面)的相位差δ可用下式[8]表示:

由(4)式可以看出,总的相位延迟不仅与延迟器的结构角θ有关,而且与折射率n有关。

2　δ对n变化的灵敏性

对于不同的全内反射角,由(4)式比较容易得出相位延迟随折射率的变化曲线,如图2所示,图中各曲线分别表示全内反射角θ为65°, 70°, 75°时的情况。

由图可见: (1)曲线的梯度总是正值,这说明当全内反射角一定时,δ随n的增大而增大; (2)当材料的折射率一定时,曲线的梯度随全内反射角的增大而减小,这说明较大的全内反射角的选择有利于改善延迟器件的消色差性; (3)当全内反射角一定时,曲线的梯度随折射率的增大而减小,这说明较大的折射率有利于改善延迟器件的消色差性。